CN110471144B

CN110471144B - 一种消像差的万瓦级光纤连接器

Info

Publication number: CN110471144B
Application number: CN201910724132.1A
Authority: CN
Inventors: 李平雪; 董雪岩; 章曦; 杨卫鑫
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: CN110471144A

Abstract

一种消像差的万瓦级光纤连接器属于激光技术领域，包括光纤输入端、准直透镜组、聚焦透镜组、光纤输出端和镜片水冷装置。准直透镜组包括第一正光焦度弯月凸透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第一正光焦度凸透镜；聚焦透镜组包括第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜；光纤输入端、光纤输出端与各透镜在光的传播方向上依次同轴排列。本发明采用4片球面镜和2片非球面镜设计，降低成本的同时具有消像差功能；透镜的材料和膜层具有高损伤阈值，设有冷却装置可用于万瓦级光纤激光的传输；并且具有良好的互换性和兼容性，适用于不同数值孔径的光纤传输，有效解决了光源到工作站的长距离传输问题。

Description

一种消像差的万瓦级光纤连接器

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种消像差的万瓦级光纤连接器。

背景技术

近年来，随着光纤制备技术的成熟，利用光纤传输高能激光束已广泛应用于工业、国防、医疗、信息等领域。采用光纤传输高能激光束具有以下的优势：(1)光纤可柔性化传输使光源很容易与机器人手臂集成，从而实现三维加工；(2)随着光纤制备技术的不断完善，石英光纤在1μm波长附近的传输损耗已降低到1dB/km以下，接近由瑞利散射决定的最低极限；(3)加工头移动的过程中激光传输距离不变，因此不会产生焦点漂移，并且光纤传输安全性能更好。为了实现从光源到光纤、从光纤到光纤以及光纤与工作站之间光能量高效率传输，光纤连接器作为不可或缺的传输器件，它把光纤的两个端面精密对接起来，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收端光纤中，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器影响了光传输系统的可靠性和各项性能。目前，光纤通信中低功率的光纤连接器已经成熟，并且在光通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中被广泛应用。然而，在激光加工、激光测距、光电对抗等领域则需要大功率、高能量的激光连接器。

目前，功率高达万瓦级的激光在光纤耦合过程仍存在着未解决问题：(1)由于高功率激光的照射，会导致镜片被加热至高温状态，造成镜片形变甚至损坏。模拟数据表明当输出功率达到1万瓦时，石英玻璃镜片轴向热膨胀约2mm，折射率由镜片边缘到镜片中心从1.66变化至1.75，所产生的焦点飘移为1.5mm；其次由于功率密度过高造成的增透膜损伤也会导致镜片透过率下降；这些因素都会影响光纤连接器的耦合效率，甚至损坏整个激光系统。因此万瓦级的光纤连接器需加装水冷装置，控制镜片表面温度在100℃以下。(2)除了热效应会影响光纤连接器的耦合效率以外，光束质量也是影响万瓦级光纤连接器性能的重要指标之一。当入射光斑的直径大于光纤芯径或者入射光束的发散角大于光纤数值孔径时，部分激光将沿着包层的波导进行传输，此过程中激光会在某个位置溢出到涂覆层中，从而在该处形成薄弱点，极易造成光纤烧毁。因此，欲将大功率激光耦合进光纤纤芯中，必须保证较高的光束质量，即满足入射光束的光束参数乘积BPP_laser小于光纤固有的光束参数乘积BPP_fiber，这也是光纤连接器光学系统设计时的重要依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种消像差的万瓦级光纤连接器，该光纤连接器的采用4片球面镜和2片非球面镜设计，降低成本的同时具有消像差功能；透镜的材料和膜层具有高损伤阈值，整个光学系统设有冷却装置可用于万瓦级光纤激光的传输；并且该光纤连接器具有良好的互换性和兼容性，适用于不同数值孔径的光纤传输，满足市面上大多数光传输设备、光附属设备、光测试仪表的转接需求，有效解决了光源到工作站的长距离传输问题。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种消像差的万瓦级光纤连接器，包括同轴设置的光纤输入端、准直透镜组、聚焦透镜组、光纤输出端和镜片水冷装置，其中：

所述准直透镜组包括第一正光焦度弯月凸透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第一正光焦度凸透镜；聚焦透镜组包括第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜；镜片水冷装置包括内壁和外壁；

所述光纤输入端、第一正光焦度弯月凸透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第一正光焦度凸透镜、第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜、光纤输出端在光纤传输方向上依次同轴排列；

所述光纤输入端和光纤输出端可以是普通光纤端冒，或者是国际标准型号QD、QBH接头。

相比与现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明的光学系统利用4个球面透和2个非球面镜实现消像差功能，整个光学系统达到衍射极限，艾里斑半径达到3.101μm。准直透镜组将光纤输出的空间光准直为平行光，聚焦透镜组将平行光聚焦到光纤输入端，聚焦光斑尺寸小于光纤芯径，入射光束的光束参数乘积BPP_laser小于光纤固有的光束参数乘积BPP_fiber，以达到光纤耦合传输要求。

2、相比于常用的光纤连接器，本发明的光纤连接器光学系统采用4个面型为球面的透镜和2个平凸非球面镜。球面镜具有成本低、易于加工和装调的优点；平凸非球面镜的高次(≥二次)非球面系数为零，降低了加工成本和难度。为减小插入损耗，透镜双面镀有高损伤阈值增透膜，膜系损伤阈值大于30J/cm²，透过率大于99.9％。

3、对透镜片边缘表面进行水冷或者液氮冷却降温，控制镜片表面温度小于100℃，避免了大功率激光照射产生热形变和焦点飘移，可以实现万瓦级的光纤耦合传输.

4、本发明可广泛应用于大功率、高能量的激光加工、激光测距、光电对抗系统，可以实现从光源到光纤、从光纤到光纤以及光纤与工作站之间光能量高效率的传输；并且可以针对不同NA值得光纤输入端、光纤输出端进行连接，适用于市面上常用的QBH、QD等国际标准接头，操作简单易维护。

附图说明

图1为本发明一种消像差的万瓦级光纤连接器的整体示意图；

图2为本发明一种消像差的万瓦级光纤连接器Zemax光学设计镜头数据表；

图3为本发明一种消像差的万瓦级光纤连接器光学系统的评价函数；

图4为本发明一种消像差的万瓦级光纤连接器光学系统的点列图；

图5为本发明一种消像差的万瓦级光纤连接器光学系统的波前图；

图6为本发明一种消像差的万瓦级光纤连接器光学系统的的光学调制传递函数MTF图；

图7为本发明一种消像差的万瓦级光纤连接器光学系统的聚焦光斑辐射照度图；

图中：

1、光纤输入端；2、第一正光焦度弯月凸透镜；3、第一非球面负光焦度凹透镜；4、第一正光焦度凸透镜；5、第二正光焦度凸透镜；6、第二非球面负光焦度凹透镜；7、第二正光焦度弯月凸透镜；8、光纤输出端；9、水冷装置；10、内壁；11、外壁。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖：

如图1所示，本发明提供的基于多球面镜消像差的万瓦级光纤连接器，由光纤输入端1、准直透镜组、聚焦透镜组、光纤输出端和镜片水冷装置组成，其中：

所述准直透镜组包括第一正光焦度弯月凸透镜2、第一非球面负光焦度凹透镜3、第一正光焦度凸透镜4；聚焦透镜组包括第二正光焦度凸透镜5、第二非球面负光焦度凹透镜6、第二正光焦度弯月凸透镜7；镜片水冷装置9包括内壁10和外壁11。

所述光纤输入端1、第一正光焦度弯月凸透镜2、第一非球面负光焦度凹透镜3、第一正光焦度凸透镜4、第二正光焦度凸透镜5、第二非球面负光焦度凹透镜6、第二正光焦度弯月凸透镜7、光纤输出端8在光纤传输方向上依次同轴排列。

本发明中，所述第一正光焦度弯月凸透镜2、第一非球面负光焦度凹透镜3、第一正光焦度凸透镜4、第二正光焦度凸透镜5、第二非球面负光焦度凹透镜6、第二正光焦度弯月凸透镜7材质均为石英玻璃并镀有双面高损伤阈值的增透膜，膜层的透过率为99.9％；增透膜损伤阈值30J/cm²；石英玻璃承受功率密度1GW/cm²。

本发明中，所述第一正光焦度弯月凸透镜2、第一非球面负光焦度凹透镜3、第一正光焦度凸透镜4、第二正光焦度凸透镜5、第二非球面负光焦度凹透镜6、第二正光焦度弯月凸透镜7沿光纤传输方向依次排列的12个镜面的面型、曲率半径及间隔(该间隔指所述镜面表面中心位置距离下一相邻镜面表面中心的物理距离，依次类推)分别为：凹球面、200mm、10mm；凸球面、56.837mm、15mm；平面、无限、10mm；凹非球面、-83.652mm、15mm；凸球面、-250mm、10mm；凸球面、94.672mm、50；凸球面、94.672mm、10mm；凸球面、-250mm、15mm；凹非球面、-83.652mm、10mm；平面、无限、15mm；凸球面、56.837mm、10mm；凹球面、200mm。

本发明中，所述第一正光焦度弯月凸透镜2、第一非球面负光焦度凹透镜3、第一正光焦度凸透镜4、第二正光焦度凸透镜5、第二非球面负光焦度凹透镜6、第二正光焦度弯月凸透镜7之间的间隔介质为空气。

本发明中，所述镜片水冷装置9为双层套筒结构，内壁10与外壁11之间装有循环水，材料是不锈钢。

本发明中，所述镜片水冷装置9的内壁10表面与所述第一正光焦度弯月凸透镜2、第一非球面负光焦度凹透镜3、第一正光焦度凸透镜4、第二正光焦度凸透镜5、第二非球面负光焦度凹透镜6、第二正光焦度弯月凸透镜7的边缘用耐高温密封胶粘，密封胶耐高温达到1000℃。

本发明中，所述的消像差的万瓦级光纤连接器光学系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过光纤输入端的数值孔径NA和光斑尺寸确定光学系统的视场角、口径，进而得到镜片水冷装置的内壁直径。通过激光光源的输出功率、波长范围确定所用透镜的玻璃材料、增透膜范围。通过激光功率、透镜直径计算透镜表面的功率密度，确定增透膜损伤阈值。通过光纤输入端与光纤输出端的纤芯直径之比，确定光学系统的放大倍率。通过光纤输出端到光纤输入端的距离以及光学系统放大倍率计算得出光学系统焦距。

步骤2，如图2所示，设置Zemax软件中的数值孔径NA、波长、视场角，在透镜数据表中建立初始镜头模型。将第一正光焦度弯月凸透镜2、第一正光焦度凸透镜4、第二正光焦度凸透镜5、第二正光焦度弯月凸透镜7的曲率半径、透镜厚度和空气厚度设置为变量，将第一非球面负光焦度凹透镜3、第二非球面负光焦度凹透镜6的圆锥系数设置为变量。编辑评价函数，设置边界条件。

步骤3，如图3所示，打开评价函数编辑器，设置优化向导：优化函数类型选择RMS；标准为光斑半径；参考为质心；光瞳采样为高斯求积(3环6臂)；玻璃厚度边界条件为≤20mm，≥10mm；空气厚度边界条件≤50mm，≥10mm。

步骤4，在Zemax中执行优化程序。优化光纤输入端1、第一正光焦度弯月凸透镜2、第一非球面负光焦度凹透镜3、第一正光焦度凸透镜4、第二正光焦度凸透镜5、第二非球面负光焦度凹透镜6、第二正光焦度弯月凸透镜7、光纤输出端8之间的距离；优化每个透镜的曲率半径和厚度；优化第一非球面负光焦度凹透镜3、第二非球面负光焦度凹透镜6的圆锥系数，使得光纤输出端的零视场弥散斑在艾里斑内，达到衍射极限，即得到基于多球面镜消像差的万瓦级光纤连接器的光学系统。

本发明中，所述光纤输出端1与光纤输入端8是国际标准型号QD接头，光纤数值孔径NA均为0.22，光纤芯径600微米。激光光源功率12000W，波长为976±5nm。

本发明基于非球面的万瓦级光纤耦合光学系统的详细设计数据如表1所示：

序号为4和9是含有非球面的负光焦度凹透镜，透镜数据见表2，其中k圆锥系数，a₂、a₄、a₆、a₈为高次非球面系数。

序号	k	a<sub>2</sub>	a<sub>4</sub>	a<sub>6</sub>	a<sub>8</sub>
						4	-1.178	0	0	0	0
9	-1.178	0	0	0	0

本发明中，所述光纤连接器光学系统的点列图如图4所示。在点列图中均方根半径是弥散斑各个点坐标和参考中心点，进行坐标平方和后，除以点数量，然后开方的值，这个值的半径可以定量反映弥散斑的大小。如果均方根半径小于等于艾里斑半径，光学系统达到衍射极限。本发明中心视场均方根半径为0.204微米，在艾里斑半径3.101微米以内，像质较好。

本发明中，所述光纤连接器光学系统的波前图如图5所示。物点发出的波面经实际光学系统后，实际波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面的光程差，即为波像差。波象差小于λ/4波长，光学系统成像质量接近理想。本发明波像差PV值为0.0021λ，RMS值为0.0007λ，λ＝976nm，波前质量良好。

本发明中，所述光纤连接器光学系统的传递函数图如图6所示。MTF(调制传递函数)既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，是光学传递函数(OTF)的模，曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为1/mm，即每毫米多少对线，纵轴表示对这些黑白细实线物分辨的调制度。由图2可知各视场传递函数曲线均与衍射极限曲线几乎重合，像质优良。

本发明中，所述光纤连接器光学系统的聚焦光斑辐射照度图如图7所示，可以看出初始高斯光束经过本发明光纤连接器的光学系统后能量分布依然保持高斯分布。

Claims

1.一种消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于，包括同轴设置的光纤输入端、准直透镜组、聚焦透镜组、光纤输出端和镜片水冷装置，其中：

所述第一正光焦度弯月凸透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第一正光焦度凸透镜、第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜沿光纤传输方向依次排列的12个镜面的面型、曲率半径及间隔分别为：凹球面、200mm、10mm；凸球面、56.837mm、15mm；平面、无限、10mm；凹非球面、-83.652mm、15mm；凸球面、-250mm、10mm；凸球面、94.672mm、50；凸球面、94.672mm、10mm；凸球面、-250mm、15mm；凹非球面、-83.652mm、10mm；平面、无限、15mm；凸球面、56.837mm、10mm；凹球面、200mm。

2.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于，所述第一正光焦度弯月凸透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第一正光焦度凸透镜、第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜的材质均为石英玻璃并镀有高损伤阈值的增透膜，保证每个透镜的透过率为99 .9%；增透膜损伤阈值大于30J/cm²；石英玻璃承受功率密度大于1GW/cm²。

3.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于，所述第一正光焦度弯月凸透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第一正光焦度凸透镜、第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜之间的间隔介质为空气或者是真空。

4.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于，其工作波长为976nm，带宽为±2.5nm，NA为0.22，焦距为100mm。

5.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于，其艾里斑半径小于5μm，零视场均方根半径小于艾里斑半径。

6.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于所述镜片水冷装置为双层套筒结构，内壁与外壁之间装有流动的冷却液。

7.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于所述镜片水冷装置材料是玻璃不锈钢、铝合金、或者铜。

8.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器，其特征在于所述镜片水冷装置的内壁表面与所述第一正光焦度弯月凸透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第一正光焦度凸透镜、第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜的边缘用耐高温密封胶粘，密封胶耐高温且大于1000℃。

9.如权利要求1所述的消像差的万瓦级光纤连接器光学系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过光纤输入端的数值孔径NA和光斑尺寸确定光学系统的视场角、口径，进而得到镜片水冷装置的内壁直径；通过激光光源的输出功率、波长范围确定所用透镜的玻璃材料、增透膜范围；通过激光功率、透镜直径计算透镜表面的功率密度，确定增透膜损伤阈值；通过光纤输入端与光纤输出端的纤芯直径之比，确定光学系统的放大倍率；通过光纤输出端到光纤输入端的距离以及光学系统放大倍率计算得出光学系统焦距；

步骤2，设置Zemax软件中的数值孔径NA、波长、视场角，在透镜数据表中建立初始镜头模型；将第一正光焦度弯月凸透镜、第一负光焦度凹透镜、第二正光焦度凸透镜、第二正光焦度弯月凸透镜的曲率半径、透镜厚度和空气厚度设置为变量，将第一非球面负光焦度凹透镜、第二非球面负光焦度凹透镜的圆锥系数设置为变量；编辑评价函数，设置边界条件；

步骤3，编辑评价函数编辑器，设置优化向导：优化函数类型选择RMS；标准为光斑半径；参考为质心；光瞳采样为高斯求积；玻璃厚度边界条件为≤20mm，≥10mm；空气厚度边界条件≤50mm，≥10mm；

步骤4，在Zemax中执行优化程序；优化光纤输入端、第一正光焦度弯月凸透镜、第一负光焦度凹透镜、第一非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度凸透镜、第二非球面负光焦度凹透镜、第二正光焦度弯月凸透镜、光纤输出端之间的距离；优化每个透镜的曲率半径和厚度；优化第一非球面负光焦度凹透镜、第二非球面负光焦度凹透镜的圆锥系数，使得光纤输出端的零视场弥散斑在艾里斑内，得到基于多球面镜消像差的万瓦级光纤连接器的光学系统。